史 勇 鮑 園 粱小偉 霍 振,

(1.同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司,朔州，山西036000 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,西安,陜西,中國,710054)

1 概述

平朔煤業(yè)有限公司井工三礦，位于中國山西北部的寧武煤田北端，含煤地層沉積在奧陶系古風(fēng)化殼上[1-2]。地層沉積總厚達(dá)2 600 m～3 500 m以上，沉積中心位于煤田中南部寧武靜樂一帶，地層厚度在3 500 m以上，而北部井坪朔縣一帶僅幾百米，中心出露地層為中生界侏羅系，向周圍依次為中生界三疊系、古生界二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系，太古界五臺群，新生界第三系、第四系在朔縣平原厚度達(dá)200 m 以上[3-4]。斷裂發(fā)育在煤田東西兩側(cè)，多為高角度的正斷層，逆斷層較少。特殊的地質(zhì)環(huán)境造成斷層、沖刷帶、陷落柱發(fā)育[5]，給礦山開采帶來了極大困難。

2 分析與討論

2.1 斷層樣式

該區(qū)主要發(fā)育正斷層，以下兩種形式出現(xiàn)。

2.1.1 走向相反的正斷層形成的相對隆起

如39110輔運(yùn)巷所揭露的斷層剖面所示（圖1），該地壘由F24和F25兩條高角度斷層組成，斷距分別為1.8 m 和2.4 m。因斷距較小，煤層產(chǎn)狀總體上較為平緩，對礦井掘進(jìn)和煤層回采影響不大。井田范圍內(nèi)多見此類隆起，此類型斷層約占40%。

圖1 39110輔運(yùn)巷剖面

2.1.2 單一的正斷層

完整揭露于綜采工作面，如發(fā)育在39101 工作面的正斷層，F(xiàn)3斷層產(chǎn)狀為45°∠45～50°，斷距3 m～4 m；F18斷層產(chǎn)狀為50°∠75°，斷距3 m～5 m。由于斷層在很小范圍內(nèi)發(fā)育密集，煤層底板傾角較大，液壓架傾斜度最高達(dá)到35°，此類型斷層約占50%，余者為逆斷層。同時煤層頂板風(fēng)氧化嚴(yán)重，易發(fā)生冒頂?shù)仁鹿?，必須采用注漿、注膠等方法加固頂板，這也給煤層回采帶來了巨大困難，最嚴(yán)重時不得不提前停采，造成煤炭產(chǎn)量損失104萬噸（圖2）。

圖2 39101輔運(yùn)巷剖面

圖3 為F20斷層，垂直斷距20 m，傾角80°～85°，幾乎直立。巷道12°下山掘進(jìn)，但仍然位于煤層之上，造成煤炭儲量損失350萬噸。為減少資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，建議該煤層可以在煤層二次回采時再采出。

圖3 39108輔運(yùn)巷剖面

2.1.3 斷層破碎帶對開采影響

斷層破碎帶是由斷面附近派生裂隙和斷面充填物組成的地質(zhì)體，表現(xiàn)為塊狀巖石和煤層混雜，巖石大小不一，大者100 cm～150 cm，巖石碎塊沒有任何磨圓，呈棱角狀，呈不規(guī)則形態(tài)分布。在張應(yīng)力作用下，巖石或煤層斷開，上覆巖石充填到裂縫中，形成巖石碎塊和煤屑共同充填。整體上煤層呈連續(xù)狀，斷裂帶兩側(cè)煤層產(chǎn)狀大致相同，它主要影響煤質(zhì)和回采進(jìn)度。

2.2 沖刷帶類型

在煤層中發(fā)育泥石流沉積國外已見報道。眾所周知，沖刷帶對煤層的開采往往起到負(fù)面的影響作用。在井工三礦遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的接觸關(guān)系中，歸納總結(jié)了三種類型，具體如下。

2.2.1 順層侵入型

順層侵入型的沖刷帶類型表現(xiàn)為角礫巖順煤層分布在煤層中，其展布與延伸基本與煤層一致（圖4a）。

2.2.2 巖墻型

在生產(chǎn)現(xiàn)場中遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的第二種接觸方式為切割煤層型，類似于巖墻的形式，這種角礫巖與煤層的夾角基本上大于60°，角礫巖中夾破碎煤線，稱之為巖墻型（圖4b）。它的形成可能與沼澤形成期間的構(gòu)造活動或同沉積小斷層有關(guān)。

2.2.3 沿斷層充填型

在生產(chǎn)中遇到的沖刷帶角礫巖與煤層的第三種接觸關(guān)系為角礫巖沿斷層面充填，這是一種后期充填的形式。如39107主運(yùn)巷F20斷層揭示的沖刷帶沿斷層充填的表現(xiàn)形式就是這種類型（圖4c）。

圖4 沖刷帶三種類型

2.3 陷落柱（或陷落帶）樣式

陷落柱是煤層下伏可溶巖石被地下水溶蝕后引起上覆巖層冒落而形成的古巖溶塌陷體。根據(jù)物探結(jié)果及實(shí)際揭露分析，在一采區(qū)共存在3個陷落柱和1個陷落帶（圖5）。陷落柱大小100×100 m2左右，陷落帶150×500 m2左右。陷落柱內(nèi)裂隙發(fā)育，風(fēng)氧化嚴(yán)重，充填巖石呈土黃色，或呈灰色，松散、硬度差，巖石碎塊無規(guī)則。陷落柱造成了大面積的無煤區(qū)，在巷道掘進(jìn)過程中發(fā)生多次冒頂事故，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)進(jìn)度，也直接增加了工程成本等。

陷落柱有時導(dǎo)通上覆含水層，發(fā)生涌水事故。例如研究區(qū)的39110 輔運(yùn)巷310 m 處，遇到陷落柱，每小時出水150 m3/h；放水10個月后，出水量由150 m3/h減少到50 m3/h 左右。水頭從80 m 降到60 m，并且目前以每月2 m左右的速度衰減。

圖5 一采區(qū)陷落柱發(fā)育位置

2.4 成因機(jī)理分析

井工三礦所揭露出的沖刷帶角礫巖，按其形成機(jī)理，可歸納為三種模式（對應(yīng)于與煤層的三種接觸關(guān)系）。

第一種模式是由與煤層基本上平行或與煤層呈不平整接觸關(guān)系時順層侵入形成的，這種模式主要是在河流決口和洪水期沉積形成（如圖6a所示）；第二種模式是由于干旱期在泥炭沼澤表面形成泥裂，這些裂縫大小不一，大者有10 多米深，小者幾十公分。洪水期時，大量泥砂沖破天然堤，在河流決口形成沖刷帶后重新接受沉積，就形成了這種類似于巖墻的沖刷帶角礫巖，多成楔狀條帶。也可能是沼澤形成期間發(fā)生構(gòu)造活動或同沉積斷裂，沖刷帶沿裂隙充填的產(chǎn)物（如圖6b所示）；第三種模式是在泥炭沼澤形成后，因受燕山運(yùn)動構(gòu)造應(yīng)力作用，形成一些張性斷層，并形成破裂帶，后期被沖刷帶充填，并經(jīng)成巖作用形成沖刷帶角礫巖，這種角礫巖明顯具有后生的特點(diǎn)（如圖6c所示）。

圖6 沖刷帶成因模式

對煤系地層中陷落柱的成因機(jī)理目前還沒有定論，但都認(rèn)為與下伏地層存在可溶性巖層和活躍的水動力條件有關(guān)。研究區(qū)的陷落柱主要發(fā)育在煤層露頭附近，遠(yuǎn)離露頭區(qū)陷落柱減少或不發(fā)育。在露頭區(qū)，海拔高程較高，下伏奧陶系灰?guī)r處于巖溶斜坡地帶，為地下水的徑流通道；地下水沿地下斷層流動，易形成串珠狀的陷落柱，多個陷落柱組合就形成了陷落帶。

3 結(jié)論

通過對井工三礦一采區(qū)巷道掘進(jìn)和煤層回采過程中揭示的斷層、沖刷帶和陷落柱等構(gòu)造特征和發(fā)育樣式進(jìn)行研究，并對其形成機(jī)理進(jìn)行探討。

(1)該區(qū)主要發(fā)育正斷層，組成了小型隆起、斷崖式等斷層產(chǎn)狀，是影響安全生產(chǎn)的主要因素，其中大斷距正斷層對巷道的掘進(jìn)和煤層的回采均影響較大；

(2)沖刷帶在煤層中的分布分為順層侵入型、巖墻型和沿斷層充填型三種類型，它們分別是同沉積、準(zhǔn)同沉積和后期改造的結(jié)果，主要影響回采原煤質(zhì)量，后期洗耗大；

(3)本區(qū)分布著3個陷落柱和1個陷落帶，造成了煤層的缺失，是造成施工困難、冒頂事故和引發(fā)局部突水等事件的關(guān)鍵因素，是礦井掘進(jìn)和煤層回采中最大的安全隱患。